JP6103386B2 - レドックスフロー電池 - Google Patents

Description

本発明は、レドックスフロー電池に関する。特に、電解液流通型のレドックスフロー電池において、内部抵抗が低減されたレドックスフロー電池に関する。

レドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池という）は、正極用電解液に含まれるイオンと負極用電解液に含まれるイオンとの酸化還元電位の差を利用して充放電を行う電池である。図２３に示すように、ＲＦ電池１は、水素イオン（プロトン）を透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離された電池セル１００を備える。正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極用電解液を貯留する正極電解液用タンク１０６が導管１０８，１１０を介して接続されている。同様に、負極セル１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極用電解液を貯留する負極電解液用タンク１０７が導管１０９，１１１を介して接続されている。各タンク１０６，１０７に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ１１２，１１３により各極セル１０２，１０３内に循環される。

上記電池セル１００は通常、図２４の下図に示すように、セルスタック２００と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック２００は、図２４の上図に示すように、額縁状の枠体１２２に一体化された双極板１２１を備えるセルフレーム１２０、正極電極１０４、隔膜１０１、および負極電極１０５を、この順番で積層した構成を備える。この構成では、隣接する各セルフレーム１２０の双極板１２１の間に一つの電池セル１００が形成されることになる。

セルスタック２００における電池セル１００への電解液の流通は、枠体１２２に形成される給液用マニホールド１２３，１２４と、排液用マニホールド１２５，１２６により行われる。正極用電解液は、給液用マニホールド１２３から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成される溝を介して双極板１２１の一面側に配置される正極電極１０４に供給される。そして、その正極用電解液は、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド１２４から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成される溝を介して双極板１２１の他面側に配置される負極電極１０５に供給される。その負極用電解液は、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２６に排出される。

電池セル１００を構成する各電極１０４，１０５は、流体である電解液の流通が給液側から排液側に向かう電解液の流通を阻害しないように多孔質の導電材で構成されることが多い。例えばカーボンフェルトなどが利用される（例えば、特許文献１）。

特開２００２−３６７６５９号公報

ＲＦ電池の充放電反応は、電解液をカーボンフェルトなどの電極に流通させて行われる。その際、電解液の流通状態、例えば、電極における電解液の流通の均一性などはＲＦ電池の内部抵抗に影響を及ぼす。しかし、従来のＲＦ電池においては、電極での電解液の流通状態を十分に考慮した上で内部抵抗を低減することについては、必ずしも十分な検討がなされているとは言えなかった。

したがって、本発明の目的の一つは、内部抵抗が低減されたレドックスフロー電池を提供することにある。

本発明のレドックスフロー電池は、隔膜と、双極板と、前記隔膜および前記双極板の間に配置される電極と、前記電極に電解液を供給する導入口と、前記電極から前記電解液を排出する排出口とを備え、前記電解液を前記電極に流通させて充放電反応を行う。前記電極は、この電極の平面における方向Ａ１と、前記方向Ａ１と前記電極の平面において直交する方向Ａ２とで透過率が異なる異方性電極層を備える。前記異方性電極層は、前記方向Ａ１の透過率Ｋ１が前記方向Ａ２の透過率Ｋ２よりも大きく、前記導入口と前記排出口との位置関係、および前記双極板の前記電極側の面の形状に基づいて定まる前記電極内での前記電解液の主たる流通方向と前記方向Ａ１とが実質的に並行するように配置される。

本発明のＲＦ電池によれば、内部抵抗が低減されたＲＦ電池とすることができる。

実施形態１に係るＲＦ電池が備える電極の一形態を表す概略側面図である。 実施形態１に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた噛合型の対向櫛歯形状の流路を表す概略正面図である。 実施形態１に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた噛合型の対向櫛歯形状の流路における電解液の流れを表す概略断面図である。 実施形態３に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた非噛合型の対向櫛歯形状の流路を表す概略正面図である。 実施形態４に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた一連の蛇行形状の流路を表す概略正面図である。 実施形態５に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた一連のグリッド形状の流路を表す概略正面図である。 実施形態６に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた断続形状の流路を表す概略正面図である。 試験例１−１における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例１−２における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例１−３における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例１−４における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例１−５における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例１−６における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−１における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−２における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−３における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−４における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−５における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−６における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−７における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 試験例２−８における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を示す概略図である。 透過率の測定に使用する圧力損失測定システムの概略構成図である。 ＲＦ電池の概略原理図である。 ＲＦ電池が備えるセルスタックの概略構成図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明者らは、ＲＦ電池の内部抵抗を低減するために、種々の検討を行った。この検討の過程で、同一の構成を備える複数のＲＦ電池を同一の条件で運転したにもかかわらず、内部抵抗が高いＲＦ電池と低いＲＦ電池があることが判明した。本発明者らは、この内部抵抗の異なるＲＦ電池についてさらなる検討を重ねたところ、次の知見を得た。
（Ａ）電極には、電解液を流通させる方向によって電解液の流れやすさ（透過率）が異なるもの（以下、異方性電極という）がある。
（Ｂ）この異方性電極の特定方向を電極内での電解液の主たる流通方向（詳細は後述）に合わせたＲＦ電池は、そうでないＲＦ電池に比べて内部抵抗を低減できる。
本発明は、これらの知見に基づきなされたものである。以下に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）実施形態に係るＲＦ電池は、隔膜と、双極板と、前記隔膜および前記双極板の間に配置される電極と、前記電極に電解液を供給する導入口と、前記電極から前記電解液を排出する排出口とを備え、前記電解液を前記電極に流通させて充放電反応を行う。前記電極は、この電極の平面における方向Ａ１と、前記方向Ａ１と前記電極の平面において直交する方向Ａ２とで透過率が異なる異方性電極層を備える。前記異方性電極層は、前記方向Ａ１の透過率Ｋ１が前記方向Ａ２の透過率Ｋ２よりも大きい。前記電極は、前記導入口と前記排出口との位置関係、および前記双極板の前記電極側の面の形状に基づいて定まる前記電極内での前記電解液の主たる流通方向と前記方向Ａ１とが実質的に並行するように配置される。

ＲＦ電池においては、電極内での電解液の主たる流通方向が存在する。そして、主たる流通方向に流通する電解液が充放電反応（以下、電池反応という場合がある）に主として関与する。本実施形態のＲＦ電池は、上記構成を備えることで、電解液が電極内を主たる流通方向へＲＦ電池の運転に適した流速で流通する箇所を増加したり、主たる流通方向へ流通する電解液が電極内で滞留する箇所を低減したりしやすい。それに伴い、電極内での主たる流通方向の流速のばらつきが低減されやすい。以上より、電極の広範囲で電池反応が均一に行われやすいので、内部抵抗が低減されたＲＦ電池とすることができる。

（２）実施形態のＲＦ電池として、前記透過率Ｋ１が前記透過率Ｋ２の１．５倍以上１００倍以下である形態が挙げられる。

透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の１．５倍以上であることで、異方性電極層の異方性が顕著であるといえ、異方性を備えない電極（以下、等方性電極という）を用いた場合よりも電解液が電極内を主たる流通方向へＲＦ電池の運転に適した流速で流通する箇所が増加しやすい。また、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の１００倍以下であることで、主たる流通方向へ流通する電解液が電極内で滞留する箇所を低減しやすい。以上より、本実施形態のＲＦ電池は、電極の広範囲で電池反応が均一に行われやすいので、内部抵抗がより低減されたＲＦ電池とすることができる。さらに、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の１．５倍以上１００倍以下であることで、電解液を電極内へ導入させやすく、電解液の圧力損失を小さくすることができると期待される。

（３）実施形態のＲＦ電池として、前記双極板が、前記電極側の面に前記電解液が流通する流路を備える形態が挙げられる。前記流路は、互いに並列する複数の溝部を有する。前記主たる流通方向は、前記複数の溝部の並列方向である。

双極板が互いに並列する複数の溝部を有する流路を備えることで、電解液を流路に沿って電極の平面の広範囲に低圧損にて供給しやすい。また、互いに並列する複数の溝部同士の間で電極を介した主たる流通方向への電解液の流通を生じさせやすい。よって、電極内でも十分に電池反応が行われると期待されるので、反応電流量が増加しやすく、ひいては内部抵抗をより低減できると期待される。以上より、本実施形態のＲＦ電池は、ＲＦ電池全体としてのエネルギー効率に優れる。

（４）上記（３）の実施形態のＲＦ電池として、前記流路が、前記導入口と繋がる導入路と、前記排出口と繋がる排出路とを備える形態が挙げられる。前記導入路および前記排出路は、前記複数の溝部をそれぞれ有する。前記導入路と前記排出路とは連通しておらず独立している。

導入路と排出路とが連通しておらず独立していることで、電池反応にほとんど関与することなく導入口から排出口へ直通する電解液を減少させ、導入路と排出路との間で電極を介した電解液の流通を生じさせやすい。よって、電極内を主たる流通方向へ流れる電解液の量を増加させやすく、反応電流量が増加しやすいので、内部抵抗が低減されると期待される。以上より、本実施形態のＲＦ電池は、ＲＦ電池全体としてのエネルギー効率に優れる。

（５）上記（４）の実施形態のＲＦ電池として、前記導入路および前記排出路が櫛歯形状の溝部を備え、前記導入路と前記排出路とは、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置される形態が挙げられる。

流路が互いに噛み合って対向するように配置される櫛歯を備えることで、導入路と排出路との間、特に隣り合う櫛歯同士の間で電極を介した電解液の主たる流通方向への流通を生じさせやすい。また、櫛歯の数や形成領域などによっては、電極の広範囲に電解液を均一に行き渡らせやすいので、電極の広範囲の領域から電極内に電解液が導入され、均一な電池反応が行われると期待される。したがって、反応電流量が増加しやすく、ひいては内部抵抗を低減できると期待される。以上より、本実施形態のＲＦ電池は、ＲＦ電池全体としてのエネルギー効率に優れる。

（６）上記（３）の実施形態のＲＦ電池として、前記流路は、前記導入口から前記排出口まで一連の蛇行形状であり、互いに隣り合うように並列する複数の長溝部と、前記複数の長溝部の一端同士または他端同士を交互に繋ぐ複数の短溝部とを備える形態が挙げられる。前記主たる流通方向は、前記複数の長溝部の並列方向である。

導入口から排出口まで一連の流路とすることで、流路を流れる電解液の流れがスムーズになり、電解液の圧力損失を低減することができる。一方で、このような一連の流路でありながら蛇行形状とすることで、隣り合う長溝部同士の間で電極を介した電解液の流通を生じさせやすい。また、長溝部の数や形成領域などによっては、電極の広範囲に電解液を均一に行き渡らせやすいので、電極の広範囲の領域から電極内に電解液が導入され、均一な電池反応が行われると期待される。以上より、本実施形態のＲＦ電池は全体としてのエネルギー効率に優れる。

（７）上記（１）または（２）の実施形態のＲＦ電池として、前記双極板の前記電極側の面の形状が平面状である形態が挙げられる。前記主たる流通方向は、前記導入口側から前記排出口側である。

双極板の電極側の面が溝部を備えない平面状であっても、方向Ａ１と主たる流通方向とを実質的に並列させることで、この方向の対応がなされていない異方性電極層を用いたＲＦ電池や、等方性電極を用いたＲＦ電池よりも、上述した主たる流通方向の流速のばらつきが低減されやすい。よって、電極の広範囲にわたって電池反応が均一に行われやすく、内部抵抗が低減されたＲＦ電池とすることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、図面を参照して、実施形態のＲＦ電池について説明する。各図において同一符号は、同一名称物を示す。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜実施形態１＞
（ＲＦ電池の概要）
実施形態１では、電極の平面における縦方向と横方向とで電解液の流れやすさが異なる異方性電極を用い、この異方性電極の電解液の流れやすい方向を電解液の主たる流通方向に並列させたＲＦ電池を説明する。主たる流通方向とは、詳細は後述するが、代表的には各極セルの平面における上方向である。但し、双極板に複数の溝部が並列されている場合、その並列方向、例えば左右方向（幅方向）である。このＲＦ電池は、図２３、図２４を参照して説明した従来のＲＦ電池と共通する基本構成を備えるため、以下の説明は相違点に関連する電極および双極板を中心に行う。基本構成に関わる点については図２３、図２４を参照する。

（電極）
電極は電解液が流通することで電池反応を行うための導電性の部材である。通常、電解液との接触面積を確保するため、多孔質材料が用いられる。図１を用いて、本実施形態のＲＦ電池が備える各電極１０４，１０５に用いられる異方性電極αを説明する。図１では、図面の左右方向を幅、図面の上下方向を高さ、図面の手前から奥へ向かう方向を厚さとする。異方性電極αは、電極の平面において、互いに直交する２方向における透過率が異なる異方性電極層α１を備える。図１では異方性電極層α１のみから構成される単層構造の異方性電極αを示している。

電極の異方性の決定は、電極における互いに直交する２方向の透過率Ｋを測定し、高い透過率Ｋ１を示す方向をＡ１方向、低い透過率Ｋ２を示す方向をＡ２方向とする。もっとも、複数の方向およびこの複数の各方向に直交する方向からなる複数対の方向について透過率Ｋを測定することが望ましい。透過率を測定する方向によっては、異方性の度合が異なる場合も想定されるからである。その場合、最も透過率の高い方向をＡ１方向、それに直交する方向をＡ２方向とすればよい。この異方性の決定手法は、円形の電極などの場合に特に有効と考えられる。矩形の電極の場合、通常、高さ方向と幅方向の一方がＡ１方向、他方がＡ２方向となる。

異方性電極αを用いて各極セル１０２，１０３（セルスタック２００）を組み立てる際、高い透過率を示すＡ１方向が、電解液の主たる流通方向に並列するように異方性電極αを配置する。そのため、主たる流通方向が例えば各極セル１０２，１０３の幅方向であれば、矩形の異方性電極αの幅方向が透過率の高いＡ１方向、高さ方向が透過率の低いＡ２方向となるように異方性電極αを切り出しておく。ここでは、幅方向がＡ１方向であり、Ａ１方向の透過率Ｋ１が高さ方向Ａ２の透過率Ｋ２よりも大きい。

異方性電極層の具体例としては、カーボンフェルトやカーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。これらは、初めから異方性を備えるものや、等方性のものに熱処理等を行うことで異方性が備わるものがある。初めから異方性を備えるものとしては、例えば、縦繊維と横繊維の繊維径を異ならせたカーボンクロス等が挙げられる。また、等方性電極層に熱処理を施すことで、異方性電極層とできる場合や、異方性電極層に対して熱処理等を行うことで、さらに異方性が顕著になる場合もある。熱処理を行うことで異方性を付与したり異方性を顕著にしたりする場合には、熱処理条件を調整することで異方性の度合を調整することができる。好ましい熱処理条件としては、大気雰囲気中２００℃以上１０００℃以下、５分以上１２０分以下の条件が挙げられる。このような熱処理により、互いに直交する２方向で所定の透過率Ｋ１，Ｋ２を有する電極を得ることができる。熱処理条件としては、大気雰囲気中３００℃以上８００℃以下、２０分以上１００分以下の条件や、大気雰囲気中４００℃以上６００℃以下、４０分以上８０分以下の条件等が挙げられる。

透過率は、電極における電解液の流通しやすさを示す指標であり、その値が高いほど電解液が流れやすいことを示す。透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の何倍であるかを示す透過率Ｋ１とＫ２との比Ｋ１／Ｋ２は、１．５以上、さらには３以上、特に９以上であることが好ましい。異方性電極層内を流通する電解液の主たる流通方向の流速が、ＲＦ電池の運転に適した流速でより均一になりやすいからである。但し、この比率Ｋ１／Ｋ２は１００以下、さらには５０以下が好ましい。電極内において、主たる流通方向へ流通する電解液が滞留する箇所が低減されるからである。これにより、ＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通する箇所と電解液が滞留する箇所とが存在することによる電池反応のばらつきを低減でき、ＲＦ電池の内部抵抗を低減できると期待される。この比率Ｋ１／Ｋ２は、３０以下、さらには１０以下とすることが挙げられる。

異方性電極層α１の透過率Ｋ１は、７．０×１０^−１４ｍ^２以上７．０×１０^−８ｍ^２以下であることが好ましい。透過率Ｋ１が上記の範囲にあることで、主たる流通方向の流速のばらつきが低減されやすく、内部抵抗が低減されたＲＦ電池１とすることができるからである。７．０×１０^−１４ｍ^２以上、さらには７．０×１０^−１３ｍ^２以上、特には７．０×１０^−１２ｍ^２以上とすれば、異方性電極と流路を有する双極板とを組み合わせることで、電解液の圧力損失を低減でき、エネルギー損失を小さくすることができる。一方、７．０×１０^−８ｍ^２以下、さらには７．０×１０^−９ｍ^２以下、特には７．０×１０^−１０ｍ^２以下とすることで、主たる流通方向に流れる電解液をＲＦ電池の運転に適した流速で流通させやすいと期待される。

同様の観点から、透過率Ｋ２は、４．７×１０^−１４ｍ^２以上７．０×１０^−１０ｍ^２以下、４．７×１０^−１３ｍ^２以上７．０×１０^−１１ｍ^２以下とすることが挙げられる。また、４．７×１０^−１２ｍ^２以上７．０×１０^−１２ｍ^２以下とすることもできる。透過率Ｋ２は、２．４×１０^−１４ｍ^２以上１．４×１０^−９ｍ^２以下、２．４×１０^−１３ｍ^２以上１．４×１０^−１０ｍ^２以下、２．４×１０^−１２ｍ^２以上１．４×１０^−１１ｍ^２以下としてもよい。また、７．８×１０^−１５ｍ^２以上２．３×１０^−９ｍ^２以下、７．８×１０^−１４ｍ^２以上２．３×１０^−１０ｍ^２以下、７．８×１０^−１３ｍ^２以上２．３×１０^−１１ｍ^２以下としてもよく、７．０×１０^−９ｍ^２以下としてもよい。加えて、透過率Ｋ２の下限は、４．６５×１０^−１４ｍ^２以上、４．６５×１０^−１３ｍ^２以上、または４．６５×１０^−１２ｍ^２以上とすることもできる。また、透過率Ｋ２の下限は、２．３３×１０^−１４ｍ^２以上、２．３３×１０^−１３ｍ^２以上、または２．３３×１０^−１２ｍ^２以上としてもよい。さらに、７．７７×１０^−１５ｍ^２以上２．３３×１０^−９ｍ^２以下、７．７７×１０^−１４ｍ^２以上２．３３×１０^−１０ｍ^２以下、または７．７７×１０^−１３ｍ^２以上２．３３×１０^−１１ｍ^２以下としてもよく、７．７７×１０^−９ｍ^２以下としてもよい。

特に、上記した透過率Ｋ１および透過率Ｋ２の具体的な範囲でＫ１／Ｋ２を１．５以上１００以下とすることが好ましい。上記した各効果がより発揮されやすいと期待されるからである。透過率Ｋ１，Ｋ２の詳細な測定方法は後述する試験例にて説明する。

（双極板）
双極板１２１は、正負極の各電極１０４，１０５に挟まれて各電池セル１００を仕切る板であり、電解液は通さない導電性の板から形成される。上述した異方性電極αの透過率Ｋ１を示す方向Ａ１は、電極内における電解液の主たる流通方向に並列するよう配置される。この主たる流通方向の決定要因の一つとして、双極板１２１の電極側の面の形状がある。双極板１２１の電極側の面は、流路を備える場合と流路を備えない場合とがある。ここでは、図２を参照して、流路１３０を備える双極板を説明する。図２において、実線矢印は主として双極板１２１が備える流路１３０に沿った電極表面での電解液の流れを、破線矢印は電極内での電解液の主たる流通方向を示す。この点は、後述する図３〜図７においても同様である。

流路１３０は、各電極に流通される電解液の各セル内での流れを調整するために、双極板１２１の各電極１０４，１０５側の面の少なくとも一方の面に設けられる。この流路１３０は、互いに並列する複数の溝部を有する。ここでは、導入路１３１と排出路１３２とがそれぞれ櫛歯形状の溝部を備え、各櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置される噛合型の対向櫛歯形状である（図２を参照）。導入路１３１（排出路１３２）は、双極板１２１の下部（上部）に設けられ、幅方向に伸びる一本の横溝１３１ａ（１３２ａ）と、この横溝から上方向（下方向）に伸びる複数本の縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）とを備える。そして、導入路１３１と排出路１３２とは、互いに連通することなく独立して配置され、それぞれが備える縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとが間隔をあけて並列される。

（異方性電極と双極板の配置）
上述した異方性電極αは、高い透過率Ｋ１を示す方向Ａ１が、電極内における電解液の主たる流通方向に並列するよう配置される。主たる流通方向は、電極における電池反応に主として関与する電解液の流通方向のことである。電池反応に主として関与する電解液の流通方向は、電解液を電極内に導入する導入口と電極内から電解液を排出する排出口との位置関係、および双極板の電極側の面の形状に基づいて定まる。本実施形態では、図２４における給液用マニホールド１２３（１２４）および排液用マニホールド１２５（１２６）が導入口および排出口に相当する。この導入口および排出口は、図２４ではセルフレームの上下に設けているが、左右に設けてもよい。この点は、後述する実施形態２〜実施形態７のいずれにおいても同様である。

主たる流通方向は、双極板の電極側の面が平面である場合、各極セルにおける電解液の導入口の配置された側から排出口の配置された側である。例えば、図２４において、導入口１２３（１２４）は各極セル（セルフレーム１２０）の下側、排出口１２５（１２６）は各極セル（セルフレーム１２０）の上側に配置されているため、上側が主たる流通方向となる。この場合、下側から導入された電解液は電極の左右方向に広がるものの上側に向かって優先的に流通し、この流通の過程で電池反応が行われるからである。導入口１２３（１２４）と排出口１２５（１２６）がセルフレーム１２０の幅方向にずれている場合であっても、両者のずれは考慮することなく互いの対向方向（図２４では上下方向）のみをもって主たる流通方向とする。

これに対し、双極板の電極側の面が並列する複数の溝部を有する流路を備える場合、主たる流通方向は、導入口と排出口の対向方向に関わらず、原則として溝部の並列方向である。例えば、上述した噛合型の対向櫛歯形状の流路を備える場合、縦溝１３１ｂ，１３２ｂの並列方向が主たる流通方向となる。

図２、図３を用いて、噛合型の対向櫛歯形状の流路１３０を備える場合において、電極内での電解液の流通状態を説明する。図３は図２の縦溝１３１ｂ，１３２ｂが並列する箇所の幅方向断面図で、同図の上下方向を厚み（Ｚ方向）、左右方向を幅（Ｘ方向）とする。図２に示すように、導入路１３１から電極内に導入された電解液は、各電極１０４，１０５を経て排出路１３２へ流通する。その際、導入路の縦溝１３１ｂと排出路の縦溝１３２ｂは、図３の上図に示すように、Ｘ方向に交互に並列されている。そのため、図３の拡大図に示すように、縦溝１３１ｂから電極に供給された電解液は、異方性電極層α１における縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとの間に位置する部分を渡るように流れて、縦溝１３２ｂへと排出される。以下、電極において、双極板の流路が備える溝部と溝部に挟まれる部分を総称して畝部という。本実施形態では、（１）各電極１０４，１０５における縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとの間に位置する部分、（２）横溝１３１ａ（１３２ａ）と縦溝１３２ｂ（１３１ｂ）との間に位置する部分が畝部である。電池反応は、この両縦溝１３１ｂ，１３２ｂの間の畝部を渡るように電解液が流れる際に主に行われるため、この縦溝１３１ｂ，１３２ｂの並列方向（Ｘ方向）が主たる流通方向となる（図２および図３中の破線矢印を参照）。

従って、双極板１２１の電極側の面が平面である場合、各極セル１０２，１０３における電解液の導入口１２３（１２４）の配置された側から排出口１２５（１２６）の配置された側（図２４のセルフレームの上下方向）に電極の方向Ａ１が実質的に並行するように異方性電極αを配置する。双極板１２１の電極側の面が並列される複数の溝部を有する流路１３０を備える場合、溝部の並列方向（図２のＸ方向）に電極の方向Ａ１が実質的に並行するように異方性電極αを配置する。実質的に並行するように配置するとは、主たる流通方向と方向Ａ１とが完全に並行して配置される場合のみならず、主たる流通方向と方向Ａ１とに±３０°以下の角度の差がある状態で配置される場合を含む。特に、この角度の差が±１０°以下、さらには±５°以下であると電極における主たる流通方向の流速のばらつきを低減できると期待される。このような配置関係を持った異方性電極と双極板を用いて構成したセルスタックは、図２３に示すように、交流／直流変換器３００や変電設備３１０を介して、発電部４００と負荷５００との間に接続される。

（作用効果）
以上説明した本実施形態のＲＦ電池は、以下の作用効果を奏する。
（１）異方性電極の透過率Ｋ１が高い方向を主たる流通方向と実質的に並行するように配置することで、電解液が電極内を主たる流通方向へＲＦ電池の運転に適した流速で流通する箇所を増加したり、主たる流通方向へ流通する電解液が電極内で滞留する箇所を低減したりできる。それに伴い、主たる流通方向の流速のばらつきを低減できる。よって、電解液が電極内で広範囲にわたって均一に流通しやすいといえ、内部抵抗が低減されたＲＦ電池とすることができる。

（２）双極板が複数の溝部を有する流路を備える場合には、電解液を溝部に沿って電極の広範囲に低圧損にて供給しやすく、かつ隣り合う溝部同士の間で電極を介した電解液の流通を生じさせやすい。よって、電極内を主たる流通方向へ流れる電解液の量を増加させやすく、反応電流量を増加させて、ひいては内部抵抗が低減されると期待される。これら低圧損による電解液の供給と、反応電流量の増加に伴い、ＲＦ電池全体としてのエネルギー効率を改善できる。

（ＲＦ電池の構成に関する補足）
実施形態１の主に特徴部分に係る構成や作用効果について説明したが、このＲＦ電池は以下の構成を備えてもよい。

《電極の厚み》
異方性電極αの厚み（ｄ）は、セルスタック２００の構造、主として異方性電極αの圧縮程度により任意に調整することができる。特に、異方性電極αの厚みが、隔膜１０１と双極板１２１との間に配置された状態で１０００μｍ以下であることが好ましい。異方性電極αが薄ければ、ＲＦ電池の内部抵抗を低減することができるからである。より好ましい異方性電極αの厚みは５００μｍ以下、さらに好ましくは３００μｍ以下である。但し、電極における電解液の圧力損失を考慮すれば、異方性電極αの厚みは５０μｍ以上、さらには１００μｍ以上が好ましい。異方性電極αが後述する積層電極である場合も、積層電極全体の厚みとして上記の厚みを有することが好ましい。

《双極板の材質と製造方法》
双極板の材料には、耐酸性および適度な剛性を有する材料であることがより好ましい。長期に亘って流路の断面形状や寸法が変化し難く、流路の効果を維持し易いからである。このような材料としては、例えば、炭素を含有する導電性材料が挙げられる。より具体的には、黒鉛およびポリオレフィン系有機化合物または塩素化有機化合物から形成される導電性プラスチックが挙げられる。また、黒鉛の一部をカーボンブラックおよびダイヤモンドライクカーボンの少なくとも一方に置換した導電性プラスチックでもよい。ポリオレフィン系有機化合物としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどが挙げられる。塩素化有機化合物としては、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、塩素化パラフィンなどが挙げられる。双極板がこのような材料から形成されることで、双極板の電気抵抗を小さくすることができる上に、耐酸性に優れる。

双極板は、上記の材料を射出成形、プレス成形、および真空成形等の公知の方法により板状に成形することで製造することができる。流路を備える場合、双極板の成形と同時に流路を成形すると、双極板の製造効率に優れる。他にも、流路を形成していない双極板を製造し、その後、この双極板の表面を切削して形成してもよい。

《その他の流路の構成》
流路（溝部）の断面形状は、任意の形状とすることができる。例えば、矩形状や半円状などの形状が挙げられる。矩形状や半円状は、（１）双極板に流路を形成しやすい（加工しやすい）、（２）流路を流通する電解液の圧力損失が少ない、と期待される。

溝部の一本当たりの幅は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。（１）電極全体の流速の均一性がより向上する、（２）電極に流通する電解液の流量を増加させることができる、（３）電極が流路（溝部）に落ち込みにくい、（４）流路を流通する電解液の圧力損失をより低減できる、といった効果が期待できるからである。より好ましい流路の幅は、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下、さらに好ましい流路の幅は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。

溝部の深さは双極板の厚みの５０％以上９９％以下であることが好ましい。（１）電極全体の流速の均一性がより向上する、（２）電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量を増加させることができる、（３）電極が流路（溝部）に落ち込みにくい、（４）流路を流通する電解液の圧力損失をより低減できる、（５）流路を備えていても双極板の機械的強度を十分とすることができる、といった効果が期待できるからである。より好ましい流路の深さは、双極板の厚みの７０％以上８０％以下である。双極板の両面に溝を設ける場合には、平面透視した場合に重ならない位置に溝部を設けることで、上記の深さの溝部を双極板の両面に形成できる。

流路は、並列される複数の溝部（図２では縦溝１３１ｂ，１３２ｂ）の間隔が同一になるように配置することが好ましい。さらに、噛合型の対向櫛歯形状における隣り合う縦溝１３１ｂ，１３２ｂの間隔と、縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）の端縁と向かい合う横溝１３２ａ（１３１ａ）との間隔とが同一になるようにすることが好ましい。これらの間隔を渡るように電極を流れる電解液の流通が均一になり、圧力損失をより低減できると期待されるからである。

上述した縦溝１３１ｂ，１３２ｂや横溝１３１ａ，１３２ａの本数は、任意に調整することができる。例えば、上述した噛合型の対向櫛歯形状において縦溝１３１ｂ，１３２ｂの本数が合計で１０本を超えると、流路を流通する電解液の圧力損失の低減効果が大きいと期待される。

噛合型の対向櫛歯形状において、縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとが噛み合う部分の長さは、できるだけ長いことが好ましい。主たる流通方向に流れる電解液の流速が電極全体でより均一になりやすく、ＲＦ電池１の内部抵抗の低減が期待できるからである。また、電解液の圧力損失がより低減されるので、ＲＦ電池のエネルギー効率により優れる。具体的には、縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとが噛み合う部分の長さが双極板１２１の高さ方向（Ｙ方向）の８０％以上であることが好ましく、９０％以上の長さであることがより好ましい。

《電解液》
電解液には、図２３に示すように、バナジウムイオンを各極活物質としたバナジウム系電解液が好適に利用できる。その他、正極活物質として鉄（Ｆｅ）イオンを、負極活物質としてクロム（Ｃｒ）イオンを用いた鉄（Ｆｅ^２＋／Ｆｅ^３＋）−クロム（Ｃｒ^３＋／Ｃｒ^２＋）系電解液や、正極電解液にマンガン（Ｍｎ）イオン、負極電解液にチタン（Ｔｉ）イオンを用いるマンガン（Ｍｎ^２＋／Ｍｎ^３＋）−チタン（Ｔｉ^４＋／Ｔｉ^３＋）系電解液が好適に利用できる。

＜実施形態２＞
実施形態２では、横溝が縦方向に並列された実施形態１とは異なる噛合型の対向櫛歯形状の流路を有する双極板を備えるＲＦ電池について説明する。この実施形態２のＲＦ電池は、双極板の構成と異方性電極の配置方向以外は実施形態１と共通する構成を備えるため、これら相違点について説明し、他の構成の説明は省略する。後述する他の実施形態においても同様である。

本実施形態における噛合型の対向櫛歯形状は、導入路（排出路）が双極板の左側（右側）に設けられ、高さ方向（Ｙ方向）に伸びる一本の縦溝と、この縦溝から右方向（左方向）に伸びる複数本の横溝とを備える。横溝同士が噛み合う噛合型の対向櫛歯形状の場合、電極においては、双極板の横溝同士の間に位置する畝部に対向する領域を渡るような流れが主流となる。よって、主たる流通方向は図２におけるＹ方向となる。したがって、異方性電極αは、方向Ａ１がＹ方向と並行するように配置される。これにより、電極内を流通する電解液の主たる流通方向（Ｙ方向）の流速のばらつきが低減されやすい。

＜実施形態３＞
実施形態３では、図４に示す非噛合型の対向櫛歯形状の流路を有する双極板を備えるＲＦ電池について説明する。非噛合型の対向櫛歯形状は、導入路１３１と排出路１３２とが、互いに噛み合わない形状である。ここでは、導入路１３１と排出路１３２とは点対称な形状であり、双極板１２１の右側（左側）に設けられる一本の縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）と、この縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）から左側（右側）へ伸びる複数本の横溝１３１ａ（１３２ａ）とを備える形状である。この場合、各電極１０４，１０５においては、双極板１２１の横溝１３１ａと横溝１３２ａとの間に位置する畝部に対向する領域を渡るような流れが主流となる。よって、主たる流通方向は図４におけるＹ方向となる。したがって、異方性電極αは方向Ａ１がＹ方向と並行するように配置される。これにより、電解液の主たる流通方向（Ｙ方向）の流速のばらつきが低減されやすい。

また、導入路１３１（排出路１３２）は、複数本の縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）と、この複数本の縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）が立脚する一本の横溝１３１ａ（１３２ａ）とを備える形状としてもよい。この形状は、図２に示す噛合型の対向櫛歯形状において、導入路１３１と排出路１３２とが噛み合わない形状としたものである。この場合、縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）が並行する方向（Ｘ方向）が主たる流通方向となるので、異方性電極αは方向Ａ１がＸ方向と並行するように配置される。

＜実施形態４＞
実施形態４では、図５に示す一連の蛇行形状の流路を有する双極板を備えるＲＦ電池について説明する。一連の蛇行形状は、導入口から排出口まで一連の流路であり、互いに隣り合うように双極板１２１の幅方向（Ｘ方向）に並列する複数の長溝部１３５ｂと、複数の長溝部１３５ｂの一端同士または他端同士を交互に繋ぐ複数の短溝部１３５ａとを備える形状である。この場合、導入口側の長溝部１３５ｂからこの長溝部１３５ｂに隣り合う排出口側の長溝部１３５ｂに渡るような流れが主流となる（図５中の破線矢印を参照）。すなわち、長溝部１３５ｂが並列する方向（Ｘ方向）が主たる流通方向となる。したがって、異方性電極αは方向Ａ１がＸ方向に並行するように配置される。

蛇行型形状は、互いに隣り合うように双極板１２１の高さ方向（図５におけるＹ方向）に並列される複数の長溝部１３５ｂと、複数の長溝部１３５ｂの一端同士または他端同士を交互に繋ぐ複数の短溝部１３５ａとを備える形状としてもよい。この場合、並列される複数の長溝部１３５ｂが並列する方向（図５におけるＹ方向）が主たる流通方向となる。したがって、異方性電極αは方向Ａ１がＹ方向に並行するように配置される。

（作用効果）
以上説明した本実施形態のＲＦ電池は、以下の作用効果を奏する。
（１）一連の流路とすることで、流路を流れる電解液の流れがスムーズになり、電解液の圧力損失を低減することができる。

（２）一連の流路でありながら蛇行形状とすることで、隣り合う長溝部同士の間で異方性電極を介した電解液の流通を生じさせやすい。よって、反応電流量が増加し、ひいては内部抵抗が低減されると期待される。

（３）長溝部の数や形成領域によっては、異方性電極の平面に広範囲に電解液を均一に行き渡らせやすい。よって、異方性電極の平面の広範囲の領域から電極内に電解液が導入されるので均一な電池反応が行われると期待される。

＜実施形態５＞
実施形態５では、図６に示す一連のグリッド形状の流路を有する双極板を備えるＲＦ電池について説明する。本実施形態では、縦グリッド形状としている。縦グリッド形状は、双極板１２１の高さ方向に伸びる複数の縦溝１３０ｂと、これら縦溝１３０ｂの上下端を一連に繋ぐように設けられる一対の横溝１３０ａとを備える形状である。この場合、並列される複数の縦溝１３０ｂが並列する方向（Ｘ方向）が主たる流通方向となる。したがって、異方性電極αは方向Ａ１がＸ方向に並行するように配置される。これにより、電解液の主たる流通方向（Ｘ方向）の流速のばらつきが低減されやすい。

他のグリッド形状としては、横グリッド形状が挙げられる。横グリッド形状は、双極板の高さ方向（Ｙ方向）に並列される複数の横溝と、これら横溝を一連に繋ぐように左右に設けられる一対の縦溝とを備える。この場合、複数の横溝が並列する方向（Ｙ方向）が主たる流通方向となる。したがって、異方性電極αは方向Ａ１がＹ方向に並行するように配置される。これにより、電解液の主たる流通方向（Ｙ方向）の流速のばらつきが低減されやすい。

＜実施形態６＞
実施形態６では、図７に示す断続形状の流路を有する双極板を備えるＲＦ電池について説明する。本実施形態では、図２に示した噛合型の対向櫛歯形状を構成する縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）を、断続的に（非連続に）形成した断続形状としている。このようにすることで、電解液が幅方向の畝部だけでなく、高さ方向に隣り合う溝部（縦溝１３１ｂ（１３２ｂ））の間の畝部を渡るように各電極１０４，１０５を介して流通しやすくなるので（図７中の破線矢印を参照）、反応電流量が増加することが期待される。よって、ＲＦ電池の電流量が増加し、ひいてはＲＦ電池の内部抵抗を低減することができると期待される。もちろん、横溝１３１ａ（１３２ａ）を断続的に形成してもよいし、流路１３０の一部のみを断続形状としてもよい。また、上記に例示した各実施形態は、その少なくとも一部を断続的に形成してもよい。

本実施形態でも、各電極１０４，１０５においては、双極板１２１の縦溝１３１ｂと横溝１３２ｂとの間に位置する畝部に対向する領域を渡るような流れが主流となる。よって、主たる流通方向は図７におけるＸ方向となる。したがって、異方性電極αは方向Ａ１がＸ方向と並行するように配置される。これにより、電解液の主たる流通方向（Ｘ方向）の流速のばらつきが低減されやすい。

＜実施形態７＞
実施形態７では、異方性電極層α１を有する積層電極を備えるＲＦ電池について説明する。この実施形態７のＲＦ電池は、上記の実施形態１〜６において用いた単層電極を積層電極とした形態である。それ以外は上記の各実施形態と共通する構成を備えるため、積層電極についてのみ説明し、他の構成の説明は省略する。

積層電極としては、（１）それぞれ異方性の程度が異なる２以上の異方性電極層を積層させたもの、（２）１以上の異方性電極層α１と１以上の等方性電極層とを積層したもの、（３）１以上の異方性電極層α１と電解液が流通するが電池反応を生じない材料から構成される１以上の基材層とを積層したもの等が挙げられる。積層電極である場合、積層電極を形成する電極層や基材層を互いに引き剥がして分離させることで、異方性電極層α１の透過率を測定することができる。

２以上の異なる異方性電極層を含む積層電極の場合、透過率の大きさや各異方性電極層の厚みにもよるが、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の１．５倍以上１００倍以下、さらには３倍以上５０倍以下、特には９倍以上３０倍以下である異方性電極層を基準として方向Ａ１を規定すると良いと考えられる。上述したように、異方性が上記の範囲内にあると、電解液が電極内にてＲＦ電池の運転に適した流速で電極内を均一に流通しやすかったり、主たる流通方向へ流通する電解液が電極内で滞留する箇所を低減しやすかったりすると期待されるからである。

２以上の異なる異方性電極層を含む積層電極の場合、異方性が上記の範囲内にある異方性電極層が隔膜１０１側に位置するようにすることが好ましいと期待される。このようにすることで、電解液が隔膜側まで流通したうえで主たる流通方向に流れる電解液の流れを形成しやすく、また、主たる流通方向の流速のばらつきが低減されることで、各電極間での水素イオンの伝達のばらつきが低減されると期待されるからである。よって、ＲＦ電池の内部抵抗をより低減できると期待される。同様の観点から、異方性電極層α１と等方性電極層とを積層した積層電極を電極として用いる場合には、異方性電極層α１が隔膜１０１側に位置するように配置することが好ましい。異方性電極層α１と基材層とを積層した積層電極を用いた場合も同様である。

＜試験例１＞
試験例１では、本実施形態のＲＦ電池の特性をシミュレーションにて調べた。本試験例では、シミュレーション解析ソフト（アンシス・ジャパン株式会社製、ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ）を用いて、図２に示す噛合型の対向櫛歯形状の流路を備える双極板を備えるモデル１を構築した。モデル１は、正極セル及び負極セルをそれぞれ一つずつ備える単セル構造のＲＦ電池である。この際、正極電極および負極電極には、同一の構成の異方性電極を設定した。また、モデル１では、上述した実施形態１と同様に、電解液は双極板の下部から導入され、上部から排出される。よって、上述した実施形態１と同様、上下方向を高さ（Ｙ方向）、左右方向を幅（Ｘ方向）、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向を厚み（Ｚ方向）とした。したがって、モデル１においては、異方性電極は方向Ａ１（透過率が大きい方向）がＸ方向と並行するように配置される。

さらに、比較のために、等方性電極を用いた以外はモデル１と同一の構成のモデル２を構築した。そして、両モデルにおいて、電解液の流量を種々の値とした場合において、Ｘ方向およびＹ方向における電極内での電解液の流速分布（Ｙ方向の電解液の流速に対するＸ方向の電解液の流速の速度比。以下、ＸＹ速度比という）を調べた。以下、詳細な試験条件を示すとともに、表１に得られた試験結果を、図８〜図１３に各試験例におけるＸ方向の流速の分布を示す。表１におけるＸ方向流速、Ｙ方向流速、およびＸＹ速度比は、Ｘ方向の速度が最も遅くなる電極中央における値を示す。図８〜図１３では、各図に記載したチャートに示した濃淡でＸ方向流速が表されている。ここでは、濃淡が薄くなるにしたがって右方向への流速が速いことを示し、濃淡が濃くなるにしたがって左方向への流速が速いことを示す。具体的な流速の値は、チャートに併記した数値により示される。正の値は右方向の流速を示し、値が大きくなるにしたがって右方向の流速が速いことを示す。負の値は左方向の流速を示し、値が小さくなるにしたがって左方向の流速が速いことを示す。また、各図において、濃淡がはっきりとした縦縞状の箇所（領域）ほど、主たる流通方向（Ｘ方向）へＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通している領域である。

（試験条件）
《電極》
長さ：１５．８（ｃｍ）、幅：１５．８（ｃｍ）、厚み：０．０５（ｃｍ）
電極反応面積密度（Ａ）：５００００（ｌ／ｍ）
電極反応速度定数（ｋ）：３．０×１０^６（ｍ／ｓ）
透過率
［モデル１］ Ｋ１：７．５６×１０^−１１ Ｋ２：１．９５×１０^−１１
［モデル２］ Ｋ：７．００×１０^−１１
《電解液》
硫酸Ｖ水溶液（Ｖ濃度：１．７ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：３．４ｍｏｌ／Ｌ）
充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；充電深度と言うこともある）：５０％
《電解液流量等》
入口流量：７５、１５０、または３００（ｍｌ／ｍｉｎ）
出口流量：自由流出
流れモデル：層流モデル
《双極板》
高さ（Ｙ方向）・幅（Ｘ方向）：１５．８（ｃｍ）
〔流路〕
溝形状：噛合型の対向櫛歯形状
縦溝数：導入路３９本×排出路４０本
縦溝長さ：２１（ｃｍ）
溝幅：０．１（ｃｍ）
溝深さ：０．１（ｃｍ）
縦溝間隔：０．１（ｃｍ）
溝断面形状：正方形

異方性電極のＸ方向の透過率（方向Ａ１の透過率Ｋ１）と等方性電極の透過率Ｋとがおおむね等しいにもかかわらず、いずれの流量の場合においても、方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に並列するように配置したモデル１のほうが、等方性電極を用いたモデル２よりもＸＹ速度比が大きいことが表１より判る。また、流量が等しい場合における主たる流通方向（Ｘ方向）の流速分布を比較すると、例えば、試験例１−２（モデル２）においては、電極中央から上下方向に広がるように形成される濃淡の薄い縦縞状の領域の割合が大きい（図９を参照）。この領域は、流速がＲＦ電池の運転に適した流速と比較して遅い領域である。このような領域が多く存在すると、ＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通している領域が少なくなるので、流速のばらつきが大きいといえる。主たる流通方向へ流通する電解液の流速にばらつきがあると、電極全体で電池反応が均一に行われないため、内部抵抗が上昇する場合がある。一方、試験例１−１（モデル１）では、試験例１−２と比較して、流速が遅い領域が減少し、電極の上下から中央方向に広がる濃淡のはっきりとした縦縞状の領域が大きくなっている（図８と図９とを比較して参照）。この領域は、ＲＦ電池の運転に適した流速の領域である。このように、異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向（Ｘ方向）に並列するように配置することで、濃淡がはっきりとした縦縞状の領域が増加し、ＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通している領域が広がることが判る。

さらに、試験例１−２では、電極中央の左端および右端において、縦縞が途切れている部分が電極中央の左端と右端とにみられる（図９参照）。これは、本来であれば左端においては右方向へ、右端においては左方向へ流れる電解液が、それぞれ逆方向へ流れている、または左右方向のどちらにも流通せずに滞留しているためと考えられる。すなわち、左右方向の電解液の流通が乱れたり、流速が著しく低い箇所が発生したりしているので、この点からも電極内の流速のばらつきが発生しているといえる。一方、試験例１−１では、そのような箇所がない（図８参照）。流量を異ならせた場合にも、これらと同様のことが言える（試験例１−４（図１１）と試験例１−３（図１０）とを、試験例１−６（図１３）と試験例１−５（図１２）とをそれぞれ比較）。

このように、異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向（Ｘ方向）に並列するように配置することで、ＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通している領域が広がったり、主たる流通方向へ流通する電解液が電極内で滞留する箇所を低減しやすかったりする。それにより、流速のばらつきが低減され、内部抵抗が低減されると考えられる。

＜試験例２＞
試験例２では、主たる流通方向と異方性電極の対応関係について調べた。まず、電極の構成と電解液の流量とをそれぞれ試験例１のモデル１と異ならせたモデル３を構築した。そして、電解液の主たる流通方向（Ｘ方向）に並行する方向の透過率Ｋｘを一定の値とし、電極の平面で主たる流通方向に直交する方向の透過率Ｋｙを種々の値とした場合におけるＸ方向流速、Ｙ方向流速、およびＸＹ速度比を調べた。ここでは、試験例２−１〜試験例２−５が異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に並列するように配置した場合に、試験例２−６が等方性電極を用いた場合に、試験例２−７、試験例２−８が異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に直交するように配置した場合に相当する。以下、試験例１と異なる条件を示すと共に、試験結果を表２に、図１４から図２１に各試験例におけるＸ方向の流速の分布を示す。ＸＹ速度比、および各図に記載したチャートについては、試験例１と同様である。

（電解液流量等）
入口流量：０．３（ｍｌ／ｍｉｎ／ｃｍ^２）

表２に示すように、異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に並列するように配置した場合に相当する試験例２−１〜試験例２−５では、等方性電極を用いた場合に相当する試験例２−６や、異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に直交するように配置した場合に相当する試験例２−７、試験例２−８よりもＸＹ速度比が大きいことが判る。特に、試験例２−７、試験例２−８から、異方性電極の透過率が大きい方向を主たる流通方向（Ｘ方向）と直交するように配置した場合には、主たる流通方向であるＸ方向の流速がＹ方向の流速を下回ることが判る。また、試験例２−５より、異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に並列するように配置した場合に、Ｋｘ／Ｋｙ（ここではＫ１／Ｋ２に相当）を３．０以上とすることで、ＸＹ速度比を４．６以上とできることが判る。同様に、試験例２−４より、Ｋｘ／Ｋｙ（Ｋ１／Ｋ２）を９．０以上とすることで、ＸＹ速度比が２０近くまで上昇することが、試験例２−３より、Ｋｘ／Ｋｙ（Ｋ１／Ｋ２）を１００以上とすることで、ＸＹ速度比が４０近くまで上昇することが、試験例２−２より、Ｋｘ／Ｋｙ（Ｋ１／Ｋ２）を１０００以上とすることで、ＸＹ速度比が５０近くまで上昇することが、試験例２−１より、Ｋｘ／Ｋｙ（Ｋ１／Ｋ２）を１００００以上とすることで、ＸＹ速度比が６０近くまで上昇することが判る。

図１７から図２１を比較すると、主たる流通方向（Ｘ方向）の透過率Ｋｘが、主たる流通方向と直交する方向の透過率Ｋｙよりも大きくなるにしたがって、ＲＦ電池の運転に適した流速の領域（濃淡のはっきりとした縦縞状の領域）が大きくなっていくことが判る。このように、少なくともＫｘ／Ｋｙが１０となる程度までは、Ｋｘ／Ｋｙが大きくなるにしたがって、濃淡がはっきりとした縦縞状の縦縞状の領域が増加し、ＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通している領域の割合が大きくなることが判る。

Ｋｘ／Ｋｙ（Ｋ１／Ｋ２）が１００００である試験例２−１（図１４）、およびＫｘ／Ｋｙ（Ｋ１／Ｋ２）が１０００である試験例２−２（図１５）では、電極の左右に縦縞状の領域が確認できない。これは、この領域に存在する電解液の流速が、電解液が電極内で滞留しているとみなせる程度の流速であるからである。換言すれば、流速が０に近いため、各図に用いたチャートの構成上、濃淡がはっきりとした縦縞状とならない。上述したように、ＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通する領域と電解液が滞留する領域とが存在すると、電池反応にばらつきが生じやすい。その結果、ＲＦ電池の内部抵抗が上昇する要因の一つになると考えられる。このように、主たる流通方向（Ｘ方向）の透過率Ｋｘが、主たる流通方向と直交する方向の透過率Ｋｙよりも大きすぎると、ＲＦ電池の内部抵抗が上昇するおそれがある。一方で、Ｋｘ／Ｋｙ（Ｋ１／Ｋ２）が１００である試験例２−３では、試験例２−１や試験例２−２と比べて、主たる流通方向へ流通する電解液が電極内で滞留する領域が大幅に低減されていることが判る（図１６を参照）。

以上より、Ｋｘ／Ｋｙが１．５以上１００以下であると、すなわち、Ｋ１がＫ２の１．５倍以上１００倍以下であると、Ｘ方向へＲＦ電池の運転に適した流速で電解液が流通している領域の割合が大きくなったり、主たる流通方向へ流通する電解液が電極内で滞留する領域が低減されたりすることで内部抵抗が低減されると期待される。

＜試験例３＞
試験例３では、単セル構造の小型ＲＦ電池を用いて充放電試験を行い、内部抵抗を調べた。この小型ＲＦ電池も、図２に示す噛合型の対向櫛歯形状の流路を備える双極板を備え、正極電極および負極電極は、同一の電極を用いた。電解液は、実施形態１と同様に、電解液は双極板の下部から導入され、上部から排出される。よって、上下方向を高さ（Ｙ方向）、左右方向を幅（Ｘ方向）、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向を厚み（Ｚ方向）とした。そして、異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に並列するように配置した場合（試験例３−１）、および、方向Ａ１を主たる流通方向（Ｘ方向）と直交するように配置した場合（試験例３−２）における内部抵抗をそれぞれ測定した。本試験例では、上述のように単セル構造のＲＦ電池としているので、電池の内部抵抗はセル抵抗率と同義となる。よって、内部抵抗はセル抵抗率として表す。以下、詳細な試験条件を示すと共に、結果を表３に示す。表３におけるセル抵抗率は、下記に示すセル抵抗率の計算手法により求めた２サイクル目および３サイクル目におけるセル抵抗率の値の平均値を表す。

（試験条件）
《電極》
種類：カーボン電極（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製、ＧＤＬ１０ＡＡ）
高さ：３．１（ｃｍ）、幅：２．９（ｃｍ）、厚み：０．０２（ｃｍ）
《電解液》
硫酸Ｖ水溶液（Ｖ濃度：１．７ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：３．４ｍｏｌ／Ｌ）
充電状態：５０％
《電解液流量等》
入口流量：０．３１（ｍｌ／ｍｉｎ／ｃｍ^２）
出口流量：自由流出
《双極板》
高さ（Ｙ方向）：３．１（ｃｍ）、幅（Ｘ方向）：２．９（ｃｍ）
〔流路〕
溝形状：噛合型の対向櫛歯形状
縦溝数：導入路８本×排出路７本
縦溝長さ：２．６（ｃｍ）
溝幅：０．１（ｃｍ）
溝深さ：０．１（ｃｍ）
縦溝間隔：０．１（ｃｍ）
溝断面形状：正方形
《充放電条件》
充放電方法 ：定電流
電流密度 ：７０（ｍＡ／ｃｍ^２）
充電終了電圧：１．５５（Ｖ）
放電終了電圧：１．００（Ｖ）
温度 ：２５℃
《セル抵抗率（内部抵抗）》
計算手法：Ｒ＝（Ｖ２−Ｖ１）／２Ｉ
Ｒ：セル抵抗率（Ω・ｃｍ^２）
Ｉ：電流密度（Ａ／ｃｍ^２）
Ｖ１：充電時間の中点における電圧（Ｖ）
Ｖ２：放電時間の中点における電圧（Ｖ）

表３に示すように、異方性電極の方向Ａ１を主たる流通方向であるＸ方向に並列するように配置した試験例３−１のほうが、方向Ａ１を主たる流通方向（Ｘ方向）と直交するように配置した試験例３−２よりも内部抵抗が小さい。これは、上述の試験例１、試験例２で示したように、試験例３−１では、異方性電極の方向Ａ１と主たる流通方向（Ｘ方向）とを並列するように配置したことで、電極内において、主たる流通方向へ流通する電解液の流速のばらつきが低減されたためと考えられる。

（透過率の測定手法）
試験例３に用いた異方性電極の透過率は、図２２に示す圧力損失測定システム６００を用いて圧力損失ΔＰと流体の流量Ｑとを測定し、その測定結果とΔＰ＝（ｈ／Ｋ）μ（Ｑ／ｗｄ）により示される式（ダルシー・ワイズバッハの式と呼ばれる。詳細については後述）とにより求めた。圧力損失測定システム６００は、測定セル６１０と、流体槽６２０と、ポンプ６４０と、流量計６５０と、差圧計６６０と、これらの機器をつなぐ配管６３０とを備える。測定セル６１０は透過率Ｋを求めたい電極（電極層）を収納する。流体槽６２０は電極に導入される流体６２２（水等）を貯留する。ポンプ６４０は配管６３０を介して流体６２２を各機器に圧送し、流量計６５０はポンプ出口側の流体の流量を測定する。差圧計６６０は測定セル６１０と並列に配管６３０で接続され、圧力損失ΔＰを測定する。測定セル６１０は、電極を収納する収納部（図示せず）を備え、収納部には電極の厚みｄを０．２〜０．５ｍｍに確保するためのスペーサー（図示せず）が配置される。流量計６５０と差圧計６６０とは、配管６３０に取り付けられる。図２２中の一点鎖線矢印は、流体６２２が流通される方向を示す。

測定セル６１０に高さｈを１００ｍｍ、幅ｄを５０ｍｍとした電極を上記収納部に押し込む。そして、電極層を保持する測定セル６１０に流体６２２（ここでは水、粘度μは定数とする）をポンプ６４０により流通させる。電極層には、その側面（断面積ｗｄを有する面）から流体６２２が導入され、その高さ方向に流通される。このとき、ポンプ６４０を調整して、流量Ｑを種々の値に変更させた場合の圧力損失ΔＰを、それぞれ差圧計６６０により測定する。そして、流量Ｑを横軸、圧力損失ΔＰを縦軸としてプロットする。これらのプロットした測定点を、上記のダルシー・ワイズバッハの式で近似して、この近似直線の傾きを高さ方向の透過率Ｋとする。

ダルシー・ワイズバッハの式において、Ｋは透過率（ｍ^２）であり、ΔＰは圧力損失（Ｐａ）を、Ｑは電極へ導入される流体の流量（ｍ^３／ｓ）を、μは流通される流体の粘度（Ｐａ・ｓ）を、ｈは電極の高さ（ｍ）を、ｗは電極αの幅（ｍ）を、ｄは電極のセルスタック２００内で圧縮された状態での厚み（ｍ）をそれぞれ示す。透過率Ｋは、流体の種類によらず電極層固有の値であるので、上述したように、水等の粘度が既知の流体を用いて測定することができる定数である。

本発明のレドックスフロー電池は、太陽光発電、風力発電などの自然エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした大容量の蓄電池に好適に利用することができる。また、本発明のレドックスフロー電池は、一般的な発電所や大型商業施設等に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池としても好適に利用することができる。

１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
１００ 電池セル
１０１ 隔膜 １０２ 正極セル １０３ 負極セル
１０４ 正極電極 １０５ 負極電極
１０６ 正極電解液用タンク １０７ 負極電解液用タンク
１０８，１０９，１１０，１１１ 導管
１１２，１１３ ポンプ
２００ セルスタック
１２０ セルフレーム
１２１ 双極板
１３０ 流路
１３１ 導入路 １３２ 排出路
１３０ａ，１３１ａ，１３２ａ 横溝（溝部）
１３０ｂ，１３１ｂ，１３２ｂ 縦溝（溝部）
１３５ａ 短溝部 １３５ｂ 長溝部
１２２ 枠体
１２３，１２４ 導入口（給液用マニホールド）
１２５，１２６ 排出口（排液用マニホールド）
α 異方性電極
α１ 異方性電極層
３００ 交流／直流変換器 ３１０ 変電設備
４００ 発電部 ５００ 負荷
６００ 圧力損失測定システム
６１０ 測定セル ６２０ 流体槽 ６２２ 流体
６３０ 配管 ６４０ ポンプ
６５０ 流量計 ６６０ 差圧計

Claims (7)

1. 隔膜と、双極板と、前記隔膜および前記双極板の間に配置される電極と、前記電極に電解液を供給する導入口と、前記電極から前記電解液を排出する排出口とを備え、前記電解液を前記電極に流通させて充放電反応を行うレドックスフロー電池であって、
   前記電極が、
   この電極の平面における方向Ａ１と、前記方向Ａ１と前記電極の平面において直交する方向Ａ２とで透過率（ｍ ^２ ）が異なる異方性電極層を備え、
   前記異方性電極層は、前記方向Ａ１の透過率Ｋ１が前記方向Ａ２の透過率Ｋ２よりも大きく、
   前記導入口と前記排出口との位置関係、および前記双極板の前記電極側の面の形状に基づいて定まる前記電極内での前記電解液の主たる流通方向と前記方向Ａ１とが実質的に並行するように配置されるレドックスフロー電池。
2. 前記透過率Ｋ１が前記透過率Ｋ２の１．５倍以上１００倍以下である請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記双極板が、前記電極側の面に前記電解液が流通する流路を備え、
   前記流路は互いに並列する複数の溝部を有し、
   前記主たる流通方向が、前記複数の溝部の並列方向である請求項１または請求項２に記載のレドックスフロー電池。
4. 前記流路が、前記導入口と繋がる導入路と、前記排出口と繋がる排出路とを備え、
   前記導入路および前記排出路は、前記複数の溝部をそれぞれ有し、
   前記導入路と前記排出路とが連通しておらず独立している請求項３に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記導入路および前記排出路が櫛歯形状の溝部を備え、
   前記導入路と前記排出路とは、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置される請求項４に記載のレドックスフロー電池。
6. 前記流路は、前記導入口から前記排出口まで一連の蛇行形状であり、互いに隣り合うように並列する複数の長溝部と、前記複数の長溝部の一端同士または他端同士を交互に繋ぐ複数の短溝部とを備え、
   前記主たる流通方向が、前記複数の長溝部の並列方向である請求項３に記載のレドックスフロー電池。
7. 前記双極板の前記電極側の面の形状が平面状であり、
   前記主たる流通方向が、前記導入口側から前記排出口側である請求項１または請求項２に記載のレドックスフロー電池。